【毕业学位论文】（Word原稿）无线传感器网络基于混合拓扑路由协议研究-控制理论与控制工程

广东工业大学硕士学位论文 (工学硕士 ) 无线传感器网络 基于 混合 拓扑 路由 协议研究 邓洁 二 一 年五月 分类号： 学校代号： 11845 密级： 学 号： 2110704295 广东工业大学硕士学位论文 （ 工 学 硕 士 ） 无线传感器网络 基于 混合 拓扑 路由 协议研究 邓洁 指导教师 姓 名、职称 ： 程良伦 教授 企业 导师 姓名、职称 ： 无 专业 或 领域 名 称 ： 控制理论与控制工程 学 生 所 属 学 院 ： 自动化学院 论 文 答 辩 日 期 ： 2010 年 5 月 11845 o.:2110704295 A s 010 510006摘 要 I 摘要 无线传感器网络（ 新兴的特殊的计算机网络，是基于应用的特殊的大规模分布式无线网络， 综合了传感 检测、控制 、嵌入式计算、无线通信、分布式信息处理等跨领域技术 ， 它具有快速组网、 高效 节能、抗毁性强等特点。 相对于传统的无线通信网络， 无线传感器网络 有明显的特殊性 ，节点的资源相当有限，节能效率成首要的性能指标，网络 还应 具 备 良好的可扩展性 以适应 动态拓扑 。 路由 协议 决定 了数据 的 传送 方式，对 网络规模、 网络 生存期、负载均衡、数据传送效率等网络 性能有 重要 影响 。由于无线传感器网络与应用高度相关，单一的路由协议 无法满足无线传感器网络的特殊需求 ， 需 要针对具体的应用模型设计专门 的 路由 协议。现有的大部分 由 协议 普遍采用 单纯的基于 平面拓扑 或基于 层次拓扑的 数据路由方式 ， 平面拓扑路由协议在全网络维护路由信息，很好 地 均衡了网络负载，但是维护大量路由信息所导致 的节点能耗高的问题，严重限制了网络的扩展性；随着无线传感器网络规模的扩大，层次路由协议得到了广泛的关注与应用，由于采用了层次结构，网络中只有部分关键节点承担数据路由信息的维护和数据融合的工作，有效地减少了网络能耗，但层次路由协议面临的主要问题是热点区域及热点节点所面临的网络负载不均衡的问题，因而采用单一拓扑结构的路由协议往往 很难在各个性能指标中取得较好平衡 ， 如何 设计 结合两者 优势 的 路由协议 就成为 高效 由协议 的研究趋势 ， 混合 拓扑 机制 的主要设计思想即为在数据路由的不同层次采用不同的拓扑结构即路由策略，在保证 网络规模的前提下均衡网络节能性及网络效率如实时性及能耗均衡性方面的性能， 富 有挑 战性和实际意义 。 本文 研究基于 混合拓扑 的 由 协议， 主要工作 有 ： （ 1） 综合分析了经典的平面 由协议 和 层次 由 协议， 并针对本文提出的特殊应用模型， 着重分析了 层次 议 ；（ 2） 在深入研究 大规模密集实时数据采集型无线传感器网络特点的基础上，重点分析了 采用 不同 拓扑结构的 路由协议 对网络节能性，实时性及网络负载均衡性的影响并 指出其不足及局限性， 并 从两方面 对层次路由协议 行改进研究 ： 基于节点度梯度 最大化 改进 议， 得到 基于混合拓扑结构的 对 议的簇内通信方式 进行多优先级 自适应化改造，使其能适应于动态流量 的密集实时 数据采集型应用 ，得到 议。文中对两方面改进研究的提出点、广东工业大学工学硕士学位论文 计及主要机制作了详细阐述， 最后 通过 仿真实验对比分析 改进协议的性能 。 本文研究的创新 点 及主要成果如下 ： （ 1） 对 议进行平面化改造 ，提出了 议 ， 在性能方面 有效 改善了 网路负载不均衡 的问题 及网络扩展性差的问题 ， 引入了节点度的概念 综合衡量节点在网络中的重要性 ， 将网 络内的节点按照重要性的 不同 进行分层 排序 ， 采用 基于该 排序 的最小支配集算法 优化了簇头的选择方法。 并 在 数据传送阶段 引入 节点度梯度最大化机制（ ， 有效地均衡了网络负载，同时兼顾了网络实时性 。 实验结果表明： 议 与 比，在保证网络规模的情况下，具有更好的 负载均衡性 及实时性 。 （ 2） 对 议的簇内通信方式进行多优先级 自适应化改造，得到 议 ，它 针对 大规模 动态流量 的密集实时 数据采集型应用 ， 提出了一种 多优先级自适应的簇内通信方式， 解决了 簇内单一通信方式无法均衡 网络 实时性及 能 量有效 性的问题 ，并 采 用基于休眠 /活动节点对的改进 制 ， 改变了 基于固定时隙的数据传送 方式 ，而以环境事件为驱动， 传感器节点针对动态数据流量，采用不对称时隙传送数据。 实验结果表明： 议对簇内通信方式的自适应改造及非对称 制 增强 了 协议 的动态流量适应性， 保证数据传输的 时延性能及 可靠性。 本 课题 主要 研究 基于 平面及层次 混合 拓扑无线传感器网络路由 协议 ， 针对大规模密集实时数据采集这一特殊应用模型， 在功能和性能方面， 增强和 改进 层次路由协议到 高效实用 的 议 ，所取得的成果为 无 线传感器网络 混合拓扑路由 协议 的进一步研究提供了参考，并具有一定的工程应用价值。 关键词 ： 无线传感器网络 ； 路由 协议； 混合 拓扑 ； 负载均衡 ； 实时性 ； is a of it is on is is as of in 1st of it in is it of of of as It is to to so to be of s to of be to of on or it is to in is in by of of on is on BR SN (1) SN in of in a of (2) of to on by a to to an of in in 东工业大学工学硕士学位论文 IV to of (1) a on by of in SN of a of in to a to s in In of by a a is to (2) is to PA It of of in on on PA in a a . SN to in of SN in 录 V 目录 摘要 . I .录 . V . 一章 绪论 .题的研究背景及意义 . 研究背景 . 1 究意义 . 2 内外研究现状及发展趋势 .题来源及本文主要研究内容 . 课题来源 . 5 文研究内容及创新点 . 5 文结构 . 6 第二章 无线传感器网络及其路由协议 .线传感器网络路由协议关键问题研究 . 大规模密集实时数据采集型无线传感器网络 . 8 由协议关键问题 . 9 线传感器网络平面路由协议 . 面路由协议概述 . 10 D 协议 . 11 . 12 线传感器网络层次路由协议 . 次路由协议概述 . 12 . 13 议 . 14 合型的无线传感器网络路由协议分析 . 双层路由节能路由协议 . 15 广东工业大学工学硕士学位论文 数据采集网络负载均衡路由协议 . 17 合拓扑路由协议设计思想 . 20 章小结 .三章 议的平面化研究 .不足及 提出 .议的设计及主要机制 . 节点度及节点度函数 . 23 配集机制的引入 . 25 点度及支配集在拓扑建模中的应用 . 28 能定性分析 .章小结 .四章 优先级自适应化路由协议 .提出 .议的设计及主要机制 . 动态流量的数据采集型网络应用 . 31 优先级混合通信模型 . 32 进的 制 . 35 议性能定性分析 .章小结 .五章 仿真与实验研究 .真实验性能评价指标及分析方法 . 性能评价指标及分析方法 . 38 真实验平台简介 . 39 真实验分析 . 节能效率实验分析 . 40 延性能实验分析 . 41 载均衡性实验分析 . 43 结 . 44 议仿真实验分析 . 节能效率实验分析 . 44 目录 时延性能实验分析 . 45 达率实验分析 . 46 结 . 47 章小结 .语与展望 .考文献 .读学位期间发表的学术论文 .读学位期间参加的科研项目 .创性声明 .谢 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 错